如何改善电能质量:UPS整流方式的比较与选择

当前，电能质量主要存在以下一系列问题:谐波畸变、断电、过(欠)电压、电压暂降、瞬变、浪涌等，引发这些问题的原因一方面来自基础设施共享，如电网中的一个故障影响到该电网中的其它用户，另一方面，来自用电设备自身。当前，由于设备普遍采用开关电源器件，导致负载电流波形严重畸变，呈现非正弦波形，加之供电线路存在一定的阻抗，电流波形使电压波形发生畸变，该电压波形会严重污染上一级电网。鉴于以上这些情况，电能质量问题已成为电源工作者面临的一个难题。

1 UPS产生的谐波

1.1 谐波概念及危害

在理想的电力系统下，电压和电流波形都是光滑的正弦波，而实际上，当用电设备为非线性负载时，例如:开关型电源、电子镇流器、变速传动装置、 UPS等，电流波形就会呈现非正弦波。具有基波电源频率整数倍频率的电压或电流称为谐波。通过对波形进行傅立叶级数展开可知:任何周期性的波形都可以分解成一个基波频率的正弦波和多个谐波频率的正弦波，对于对称波形，所有偶次谐波为零。

由谐波引起的危害可分为谐波电流引起的危害和谐波电压引起的危害。谐波电流引起的危害包括3N次谐波电流在中线的叠加致使配电电缆必须降容使用、变压器的损耗增大、谐波使断路器误跳闸等;谐波电压引起的危害主要包括电压畸变影响电子设备的正常运行和过零噪扰等。

1.2 UPS产生谐波机理

与电力电子装置有关的原始波形几乎都是非正弦的，波形都含有谐波分量，UPS是其中的一个代表，UPS的整流方式是产生谐波的一个重要原因，在理想情况下，认为交流电源是三相对称工频正弦波电压，忽略供电电源自身的谐波，同时也不考虑脉冲桥式整流电路换相重叠角的影响，忽略直流回路电流纹波的影响并假定电路的触发脉冲对称、导通角α相等，在上述理想条件下，当装置处于稳定工作状态时，通过开关函数法将被分析波形表示成一系列已知波形与开关函数的乘积和的形式，将其中的已知波形与开关函数都展开成级数的形式，再对乘积和进行整理化简，最后将被分析的波形表示成级数的形式，以便于讨论其中谐波的级次与含量。1.3 UPS整流产生谐波的特点

UPS整流产生谐波可分为整流直流电压谐波和电源侧的电流谐波，对于多脉冲整流电路，可以得到如下结论:

对于直流侧电压:

(1)电路的总脉冲数越多，在直流端电压波形中谐波抵消得越多，直流侧电压波形越好;

(2)在系统直流侧电压中出现的谐波频率为电压脉冲数的整数倍，谐波级次n=pm。例如6脉冲电路，电压谐波频率为6m倍输入频率;

(3)谐波次数越低，谐波幅值越大。

对于交流侧电流:

(1)对于理想的p脉冲整流器，在交流侧只有下列次数的谐波电流：n=Pm±1次，式中m=1，2，3，…。各个谐波电流分量的幅值为基波电流的l/n。例如，对于6脉冲整流装置，线电流中只有5、7、11、13、17、19…等奇次谐波，其中5、7次谐波幅值分别为基波电流的1/5和1/7; 对于12脉冲装置，线电流中只有11、13、23、25…等奇次谐波，其幅值也显著减小;

(2)增加整流器的脉冲数p，对减小交、直流两侧的谐波分量有决定性影响。所以，构成脉冲数尽可能大的系统是整流装置减少交、直流两侧谐波电流和谐波电压的根本措施。

本文主要就UPS整流产生的电源侧电流谐波进行分析研究。

2 UPS整流滤波方式与谐波抑制关系

2.1 信息中心大功率UPS分类

国家气象信息中心共有12台大功率UPS，几乎涵盖了目前市场上各种形式的大功率UPS，根据整流、滤波方式的不同，可将其分成以下几种类型，如表1所示。

整流器件整流方式隔离变压器输入滤波方式UPS典型

晶闸管(SVR)6脉冲无无120kVA A品牌 UPS120kVA B品牌 UPS250kVA A品牌 UPS

有源滤波+无源滤波300kVA A品牌 UPS

12脉冲30°移相变压器11次谐波滤波器300kVA C品牌 UPS

原边： 三角形副边：星形+三角形11次谐波滤波器13次谐波滤波器625kVA D品牌 UPS

IGBTPWM无无120kVA E品牌 UPS2.2 对6脉冲无输入隔离变压器和输入滤波器UPS的谐波分析

以250kVAA品牌UPS为代表的6脉冲晶闸管整流UPS，无输入隔离变压器和输入滤波器，通过FLUKEF434电能质量分析仪检测得到该 UPS的谐波频谱分析图及电流波形，如图2所示。由图可见，输入电流波形严重畸变，A相输入电流总谐波畸变达到45.3%，其中5次谐波占很大成分，A相约为41.5%，7次谐波次之，A相约为13.9%，与前所述的UPS6脉冲整流产生谐波的特点相符，输入功率因数PF(0.79)与基波功率(位移)功率因数COSφ(0.86)的比值较大，即电流畸变因数ζ(0.92)偏离1较大，说明输入电流的畸变较严重。另外，在电流波形呈现非正弦的情况下，畸变功率D即由谐波电流产生的无功功率也是不容忽视的。

2.3 对12脉冲含有移相隔离变压器和输入滤波器UPS的谐波分析

对于三角形绕组的变压器，3N次谐波全部同相，因此，3N次谐波电流在绕组里循环，不会向电网扩散，输入隔离变压器对电流谐波有一定的抑制作用。信息中心两台30OkVAC品牌UPS在原有6脉冲整流的基础上，输入端增加移相变压器后再增加一组6脉冲整流器，使直流母线电流由12个晶闸管整流完成，这大大减小了UPS的输入谐波电流。另外，C品牌UPS安装了吸收11次谐波输入滤波器，即将LC串联谐振电路的谐振点调整到55OHz，使整流电路产生的11次谐波大部分流入LC串联谐振回路，从而将流入电网的谐波电路抑制在允许值之内。为了提高电能质量测试数据可参考度的准确性，将中心所有并联冗余的UPS全部切换到单台UPS供电，这样，提高了单台UPS的负载率，使全部参与比较的几种整流、滤波方式的UPS负载率均在45%~65%之内，使比较的数据受负载率影响较小，更加具有参考性和信服度。通过电能质量分析可以得到(见图3):30OkVAC牌UPS输入总谐波畸变较小，最高的一相仅为 5.2%，谐波主要以7次为主，且谐波含量较小，输入功率因数不高(仅为0.89)，基波功率因数COSφ(0.89)与总输入功率因数相等，说明电流畸变很小。

2.4 对12脉冲含有输入隔离变压器和输入滤波器UPS的谐波分析

D晶牌UPS采用12脉冲晶闸管全桥整流电路，两个整流器与输入端均隔离，原边为三角形连接、副边整流器A采用三角形连接，整流器B采用星形连接，该UPS装有智能化的输入滤波器，可根据负载量决定是否投入使用部分滤波电容，对于采用12脉冲整流方式的UPS来说，输入电流的谐波主要以11次、 13次为主，故该UPS滤波器设计即针对11次和13次谐波进行吸收，由电能质量分析图(见图4)可知:对于11次、13次谐波的滤波效果非常好，11 次、13次谐波含量仅为0.3%和0.4%，而总电流谐波畸变也在5.2%以内，电流呈现出较好的正弦波形且输入功率因数高达0.94。D品牌UPS采用的智能化输入滤波器能有效地净化来自市电电网的脉冲、浪涌电压、尖峰电压、高频电磁干扰等可能对UPS造成的危害，同时也可以减小由整流器所形成的电流谐波对市电电网的谐波污染，并且提高了输入功率因数。2.5 对脉宽调制整流无输入隔离变压器和输入滤波器UPS的谐波分析

脉冲整流器是一种以脉宽调制(PWM)方式工作的整流器，与相控整流器相比具有功率因数高、谐波含量低、交流侧电流接近于正弦，以及整流器动态响应快的优点，国家气象信息中心12OkVAE品牌UPS即为采用IGBT的PWM整流工作方式的UPS，从电能质量分析图中(见图5)可以得出:在负载率为62.2%的情况下，其输入电流总谐波畸变在10.9%以内，以5次谐渡和7次谐波为主，电流波形较接近正弦波，但并不光滑，功率因数很高 (0.94)，符合PWM整流的特点。但是，经过分析比较可知:PWM整流产生的总谐波畸变大于12脉冲相控整流，与传统的观点认为PWM整流"谐波含量最低"的特点略有差别。

2.6 对6脉冲含有有源+无源输入滤波器UPS的谐波分析

300kVAA品牌UPS采用6脉冲整流，无输入隔离变压器，配置了有源滤波器和无源滤波器的混、合滤波器(THM)作为抑制谐波的措施，有源滤波器的基本原理是:通过检测补偿对象的电流i1，经补偿电流检算电路计算出补偿电流的指令信号ic*，该信号作为补偿电流参考值经补偿电流发生电路得到补偿电流实际值ic，补偿电流与负载电流中要补偿的谐波及无功电流抵消(ic=ih)，最终得到期望的电源电流(is=if)。300kVAA品牌UPS 采用了混合滤波器(THM)，当谐渡含量较大时，有源滤波自动投入，当谐波含量较小时，采用LC无源滤波。图6和7分别为混合滤波器的原理示意图和 300kVAA品牌UPS的THM示意图，图8和9分别为在混合滤波器THM后端和前端检测到的电能质量分析图，将两图分析比较可知:在混合滤波器后端测量的效果等同于直接测量6脉冲SCR整流器产生的谐波，观察其波形发现它与250kVAA品牌UPS输入波形极其类似。另外，其总输入谐波电流畸变很大，最高的一相达到47.6%，尤以5次谐波为主(43.6%)，7次谐波次之(17.2%)且输入功率因数很低，仅为0.77。对比混合滤波器前端的检测数据可知:输入电流波形呈现光滑完好的正弦波，输入总谐波畸变在4.4%以内，3次谐波含量相比略大(3.6%)，其余各次谐波含量都很小。有源滤波器对谐波的抑制过程可以理解为:由有源滤波器产生以下这种波形的电流，即整流器所需波形的电流减去电网波形电流，总而言之，由有源滤波器提供谐波电流，而非电网提供。但是，由于有源滤波器自身无法产生任何电能，必须以消耗电网电能的方式来进行谐波补偿，所以，有源滤波与UPS配合使用时具有效率不高的缺点。3 比较和总结

整流、滤波方式输入总谐波畸变输入功率因数优点缺点

6脉冲SCR整流很大较低谐波畸变严重

12脉冲SCR整流+30°移相变压器+11次谐波滤波器较小高谐波抑制效果较好移相变压器谐波抑制效果不如输入隔离变压器

12脉冲SCR整流+输入隔离变压器+11次谐波滤波器+13次谐波滤波器很小最高(1) 输入总谐波畸变很低(2) 功率因数较高(3) 可靠性高、技术成熟(4) 相对成本低体积较大

IGBT PWM整流小较低(1) 对谐波有一定的抑制效果(2) 功率因数较高(仅限负载率较高的情况)目前无法生产高功率IGBT整流器

6脉冲SCR整流+混合滤波器最小较低谐波抑制效果很好，输入总谐波畸变很低(1) 存在误补偿问题(2) 可靠性不高(3) 系统效率低(4) 成本高

例如类似国家气象信息中心这样以大型计算机机房为主要负载的场地环境来说，选用12脉冲晶闸管(SCR)整流方式，配合以11、13次谐波滤波器或者IGBTPWM整流方式以及6脉冲SCR整流配以混合滤波器的三种形式均可对谐波具有较好的抑制效果但若负载效率较低，则可排除IGBTPWM整流方式，因其在负载率较低的情况下，功率因数也较低。信息中心的计算机房负载量很大且必须考虑能耗问题，故综合诸多因素，12脉冲晶闸管(SCR)整流方式，配合11、13次谐波滤波器的形式在目前较有合适，在谐波的抑制、功率因数的提高方面均有一定的优势。